Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6988

Melt Dispersion and Direct Containment Heating (DCH) Experiments in the DISCO-H Test Facility

L. Meyer, G. Albrecht, M. Kirstahler, M. Schwall, E. Wachter, G. Wörner

Abstract
The DISCO-H Test Facility at Forschungszentrum Karlsruhe was set up to perform scaled experiments that simulate melt ejection scenarios under low system pressure in Severe Accidents in Pressurized Water Reactors (PWR). These experiments are designed to investigate the fluid-dynamic, thermal and chemical processes during melt ejection out of a breach in the lower head of a PWR pressure vessel at pressures below 2 MPa with an iron-alumina melt and steam. In the past, a detailed study of pressure and geometry effects on the fluid dynamics of the melt dispersion process had been performed with cold model fluids in the facility DISCO-C.

The main components of the facility are scaled about 1:18 linearly to a large European pressurized water reactor. Standard test results are: pressure and temperature history in the RPV, the cavity, the reactor compartment and the containment, post test melt fractions in all locations with size distribution of the debris, video film in reactor compartment and containment (timing of melt flow and hydrogen burning), and pre- and post test gas analysis in the cavity and the containment.

The results of six experiments are presented here. All experiments were done with 10.6 kg of iron-alumina melt (scaling to 16 m³ corium), and a hole of 56 mm diameter (1 m scaled) or 28 mm at the center of the lower head. For comparison with a similar experiment conducted in a larger scale (1:10), the basis experiment was performed with an open path from the reactor pit to the containment (open pit), with prototypical conditions concerning the steam driven ejection out of the RPV, and a containment atmosphere, that was part air and part steam at an elevated pressure, with 3 mole-% hydrogen. In this and other tests, hydrogen production and combustion occurred. In one experiment the hydrogen effect was excluded by using only nitrogen as driving gas and a pure air atmosphere in the containment. In some tests the direct path to the containment was closed (closed pit).

The pressure rise in the containment is highest with an open pit and hydrogen combustion. With a closed pit the gas and the debris has to flow first into the subcompartment and then through relatively small cross sections into the containment. Considerable less hydrogen was produced and burned in this case. In the test without steam, no hydrogen effect was present, but, with the direct path to the containment open, a large amount of debris was dispersed into the containment, and efficiently transferred heat to its atmosphere. With the closed pit more melt remained in the pit and almost all the rest was trapped in the subcompartment. The size of the debris particles ejected into the containment is very small, with the bulk of the mass having diameters between 0.15 and 1.4 mm, whereas the melt fraction found in the subcompartment had larger particles with diameters mainly above 2 mm.

The experiments performed with nearly prototypical conditions in a small scale showed the importance of the direct path from the reactor pit to the containment. If that path does not exist, there may be a considerable ejection into the pump and steam generator rooms, but almost nothing into the open space of the containment. The pressure increase will stay moderate and well below the design pressure of most containments.

Experimente in der DISCO-H Versuchsanlage zur Dispersion der Kernschmelze und der direkten Aufheizung des Sicherheitsbehälters (DCH)

Zusammenfassung
Die Versuchsanlage DISCO-H wurde im Forschungszentrum Karlsruhe gebaut um Experimente durchzuführen, zur Untersuchung der Dispersion der Kernschmelze und der direkten Aufheizung des Containments bei Versagen des Druckbehälters bei niedrigem Systemdruck während eines schweren Störfalles eines Leichtwasser Druckreaktors. Es werden die fluid-dynamischen, thermischen und chemischen Prozesse modelliert, die bei einem Versagen der Bodenkalotte des Reaktordruckbehälters (RDB) und dem anschließenden Ausströmen der Schmelze auftreten. Eine Eisen-Aluminiumoxid Schmelze wird durch Dampf bei Drücken bis zu 2.2 MPa ausgetrieben. Vorausgegangen war eine detaillierte Untersuchung der Strömungsvorgänge mit kalten Modellflüssigkeiten bei verschiedenen Drücken und Geometrien in der DISCO-C Anlage.

Die wichtigen Komponenten der Anlage sind im Maßstab 1:18 zu einem großen europäischen Reaktor modelliert. Folgende Größen werden im Versuch bestimmt: die Druck- und Temperaturverläufe im RDB, in der Reaktorgrube, den Reaktorräumen und dem Sicherheitsbehälter; die Schmelzeanteile an allen Orten, zusammen mit der Größenverteilung der Partikel; Videofilme im Reaktorraum und im Sicherheitsbehälter zur Bestimmung der Dauer des Partikelfluges und der Wasserstoffflamme; und Gasanalysen an drei Orten vor, während und nach dem Versuch.

Die Ergebnisse von sechs Experimenten werden präsentiert. Alle Versuche wurden mit 10,6 kg Eisen-Aluminiumoxid Schmelze (skaliert 16 m³ Corium) und Löchern von 56 mm (skaliert 1 m) bzw. 28 mm Durchmesser im Zentrum der Bodenkalotte durchgeführt. Zum Vergleich mit einem ähnlichen Experiment im Maßstab 1:10 wurde das Referenzexperiment mit einem direkten Ausgang aus der Reaktorgrube in den Sicherheitsbehälter durchgeführt (offene Grube). Die Atmosphäre im Sicherheitsbehälter war weitgehend prototypisch, mit einem großen Dampfanteil und 3% Wasserstoff. Hier und in anderen Tests wurde zusätzlich Wasserstoff gebildet und verbrannt. In einem Versuch wurde dieser Effekt ausgeschlossen, indem die Schmelze durch Stickstoff ausgetrieben wurde und eine reine Luftatmosphäre im Sicherheitsbehälter herrschte. In zwei Versuchen wurde der direkte Weg aus der Grube in den Sicherheitsbehälter verschlossen.

Der Druckanstieg im Sicherheitsbehälter war am höchsten bei einer offenen Grube und mit Wasserstoffverbrennung. Bei einer geschlossenen Reaktorgrube müssen die Schmelzeparti-kel zuerst in den Reaktorraum gelangen und von dort durch relativ kleine Querschnitte in den Sicherheitsbehälter. In diesem Fall wird wesentlich weniger Wasserstoff erzeugt und verbrannt. In dem Versuch ohne Dampf gab es keinen Wasserstoffeffekt, jedoch war der direkte Weg in den Sicherheitsbehälter offen. Dadurch wurde ein großer Anteil der Schmelze fein verteilt in den Sicherheitsbehälter ausgetragen, und konnte dort durch effizienten Wärmeaustausch die Atmosphäre aufheizen und den Druck erhöhen. Bei geschlossener Grube verblieb mehr Schmelze in der Grube und fast der gesamte Rest wurde im Reaktorraum aufgefangen. Die Partikel, die in den Sicherheitsbehälter gelangen, haben einen kleinen mittleren Durchmesser von 0.15 bis 1.4 mm, während die Partikel im Reaktorraum einen mittleren Durchmesser meist größer 2 mm haben.

Die skalierten Experimente mit nahezu prototypischen Bedingungen haben den großen Einfluss eines direkten Weges zwischen Reaktorgrube und Sicherheitsbehälter gezeigt. Existiert dieser Weg nicht, so kann es zwar einen beträchtliche Schmelzeaustrag in die Pumpen- und Dampferzeugerräume geben, jedoch kaum in den Sicherheitsbehälter. Als Folge wird der Druckanstieg gering sein und unter dem Auslegungsdruck der meisten Sicherheitsbehälter bleiben.

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